CN110307247A - 一种用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置。本发明的技术要点是，它包括风塔支撑杆，风塔支撑杆上端与无叶片风力机的风塔相连，下端通过球形铰接与发电机相连，风塔支撑杆可绕球形铰接发生偏转而不会绕风塔支撑杆本身的纵向轴线自转；风塔支撑杆中部固定有动磁铁；在风塔支撑杆的***设有筒体，风塔支撑杆未发生偏转时其中心轴线与筒体中心轴线重合；在筒体内侧与动磁铁相对的位置固定有定磁铁，且动磁铁与定磁铁相对面的磁极相同；在筒体内侧位于定磁铁之上固定有偏转控制器，偏转控制器的内侧面为具有一定倾斜角度的倒锥形圆环面。本发明装置结构简单、零部件少，能够大大降低风力机装置的制造和安装成本。

Description

一种用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置

技术领域

本发明属于风能发电技术领域，具体涉及一种用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置。

背景技术

风能是一种可再生的无污染能源，已经受到各国的高度重视。传统风力机主要由叶片、尾舵、增速器、塔、发电机等组成，其基本原理是风轮上的叶片在风力作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，然后发电机在风轮轴的带动下旋转发电；传统风力机发电量的大小很大程度上取决于叶片的尺寸，叶片尺寸越大，其所接收的风能越多，发电量也就相应增加，如1.5MW风力机叶片的长度一般约为40米，其风轮直径达到100米，因此传统风力机的土地占有率非常大；同时传统风力机一般安装在鸟类聚集的山区，风力机在工作过程中起旋转的叶片将直接影响到鸟类的飞行，因此传统风力机会给当地生态环境带来很多不利的影响。

卡门涡街是流体力学中重要的现象，它指在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。当物体两侧产生周期性的旋涡时，由于旋涡脱落是交替脱落的，则物体横向两侧会产生压强差。在压强作用下，物体会受到一个横向力，即为涡激升力，因为物体两侧产生的旋涡呈现周期性，则涡激升力也会呈现周期性，当涡激升力的频率与***的固有频率相近时，物体将会产生剧烈的抖动。

无叶片风力机是一种基于卡门涡街理论进行发电的一种装置。当风作用于风塔时，风会对风塔产生涡激升力，当涡激升力的频率与风塔的固有频率相接近时，风塔就会产生一定频率的振动，从而通过连杆带动发电机的动子在定子中的运动实现磁力线切割进行发电。

无叶片风力机的风塔通过球形铰接与发电机的动子相连，其中与球形铰接连接的杆只能发生偏转，即风塔会在风的作用下发生偏转，当风作用于风塔时风塔会沿风方向发生倾斜，这种情况下的风力机装置发电效率将会降低，甚至不能发电；另一方面，风塔在风力作用下由于振幅的叠加，最终导致整个风力机装置因动应力达到极限造成结构破坏。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的风塔在风力作用下的复位和振幅叠加等问题，提供一种用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，它包括风塔支撑杆，风塔支撑杆上端与无叶片风力机的风塔相连，下端通过球形铰接与发电机相连，风塔支撑杆可绕球形铰接发生偏转而不会绕风塔支撑杆本身的纵向轴线自转；风塔支撑杆中部固定有动磁铁；在风塔支撑杆的***设有筒体，风塔支撑杆未发生偏转时其中心轴线与筒体中心轴线重合；在筒体内侧与动磁铁相对的位置固定有定磁铁，且动磁铁与定磁铁相对面的磁极相同；在筒体内侧位于定磁铁之上固定有偏转控制器，偏转控制器的内侧面为具有一定倾斜角度的倒锥形圆环面。

具体的，所述动磁铁通过安装于其上、下两端的动磁铁固定器固定在风塔支撑杆上；所述动磁铁固定器为一个带有圆环形底边的圆筒形构件，其圆环形底边与动磁铁的端部相抵，其筒身上设有两个相对的销孔，通过穿过两个相对的销孔及风塔支撑杆上销孔的圆柱销将动磁铁固定于风塔支撑杆上。

具体的，所述筒体为一个圆筒形的构件，筒体内侧面底部设有一圆环形凸台；所述偏转控制器为一个具有圆环形顶面及镂空底面且中间内侧面为倒锥形圆环面的圆筒形构件，偏转控制器的外径与筒体内径配套并置于筒体内，偏转控制器圆环形顶面上布置有与筒体顶面螺栓孔相对应的螺栓孔；所述定磁铁放置于筒体内侧面的圆环形凸台上，定磁铁顶面与偏转控制器底面之间设有垫片，偏转控制器通过其圆环形顶面螺钉固定在筒体上，从而使偏转控制器、垫片、定磁铁和筒体连接成为一个整体。

进一步，所述偏转控制器的倒锥形圆环面上设有减振垫片，倒锥形圆环面的倾斜角度与风塔支撑杆的最大倾斜角度相同。

具体的，所述动磁铁和定磁铁均为圆筒形构件，均采用径向充磁的钕铁硼磁铁，动磁铁外侧面和定磁铁内侧部的磁极相同，动磁铁和定磁铁之间具有一定的间距，间距内的介质为空气。

本发明的工作原理及工作过程如下：

当满足一定条件的风绕过风塔支撑杆上端固定的风塔时，风塔两侧会周期性的地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。在卡门涡街出现后，风会对风塔产生一个周期性的交变横向力，即涡激升力，当涡激升力的频率与风塔的固有频率接近时，将会导致风塔产生共振，这时风塔和风塔支撑杆会绕球形铰接发生垂直于风向的偏转；当风塔支撑杆随风塔从中心轴位置偏转到中心轴右边位置时，动磁铁与定磁铁之间的相斥磁力使风塔支撑杆从中心轴右边位置又回到中心轴位置；当风塔支撑杆从中心轴位置偏转到中心轴左边位置时，两磁铁之间所产生的相斥磁力使风塔支撑杆由中心轴左边位置返回到中心轴位置，如此实现循环。

当风塔支撑杆受到风力以及因卡门涡街产生的涡激升力时，动磁铁和定磁铁之间将会产生使风塔支撑杆复位的相斥磁力，从而解决风塔支撑杆在风作用下的复位问题。

动磁铁和定磁铁之间的相斥磁力可以限制风塔支撑杆在共振过程中振幅的叠加，从而避免风力机装置因动应力达到极限造成结构破坏。另一方面由于风塔支撑杆的下端连接着球形铰接，风塔支撑杆以及风塔支撑杆上的动磁铁可以通过球形铰接发生偏转而不能绕其本身的纵向轴线自转，因此风塔能够接受任何方向风的作用，可以保证无叶片风力机的安装不受方位的限制。

当风塔受到强风作用时，风塔支撑杆会与偏转控制器的限位面即倒锥形圆环面上固定的减震垫片接触，使风塔支撑杆的偏转控制在一个安全范围内，同时减震垫片能够有效减轻风塔支撑杆对偏转控制器的冲击；风速降低后，风塔支撑杆仍然能够在动磁铁与定磁铁之间的相斥磁力作用下重新返回到平衡位置。

本发明用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置结构简单、零部件少，能够大大降低风力机装置的制造和安装成本。

附图说明

图1是本发明实施例的风塔支撑杆位于中心轴右边位置R的剖面结构示意图。

图2是本发明实施例的风塔支撑杆位于中心轴位置O的剖面结构示意图。

图3是本发明实施例的风塔支撑杆位于中心轴左边位置L的剖面结构示意图。

图4是本发明实施例的动磁铁固定器的立体结构示意图。

图5是本发明实施例的偏转控制器的立体结构示意图。

图6是本发明实施例的筒体的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1至图3，本发明实施例用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，包括风塔支撑杆1，由于风塔支撑杆1在工作过程中会受到较大的应力，因此风塔支撑杆1采用强度较高的空心金属杆；风塔支撑杆1上端与无叶片风力机的风塔相连，下端通过球形铰接5与发电机相连，当风塔受到风力作用时，风塔支撑杆1可绕球形铰接5发生偏转而不会绕风塔支撑杆1本身的纵向轴线自转，从而与风塔支撑杆1相连的风塔可接受任意风向的作用；风塔支撑杆1的中部固定有动磁铁2；在风塔支撑杆1的***设有筒体11，风塔支撑杆1未发生偏转时其中心轴线与筒体11的中心轴线重合；在筒体11内侧与动磁铁2相对的位置固定有定磁铁10，动磁铁2的外侧面和定磁铁10的内侧部的磁极相同，动磁铁2和定磁铁10之间具有一定的间距，间距内的介质为空气；风塔支撑杆1的偏转会使动磁铁2与定磁铁10之间的距离发生改变，基于磁场同极相斥的原理，两者之间会产生相斥的磁力，所产生的相斥力迫使风塔支撑杆1向相反方向运动，以实现风塔支撑杆1的复位，同时也就解决了风塔支撑杆1在发生共振时的振幅叠加问题；为使单位面积的磁铁产生更大的磁力，动磁铁2和定磁铁10均采用径向充磁的钕铁硼磁铁，均为圆筒形构件；在筒体11内侧位于定磁铁10之上固定有偏转控制器7。

结合图4，动磁铁2通过安装于其上、下两端的动磁铁固定器3固定在风塔支撑杆1上。从图4可见，动磁铁固定器3为一个带有圆环形底边的圆筒形构件，其圆环形底边与动磁铁2的端部相抵，其筒身上设有两个相对的销孔，通过穿过两个相对的销孔及风塔支撑杆1上销孔的圆柱销4将动磁铁2固定于风塔支撑杆1上。

结合图6，筒体11为一个圆筒形的构件，从图1至图3可见，筒体11内侧面底部设有一圆环形凸台，定磁铁10可直接安放在该圆环形凸台上，同时为使本发明复位装置在工作过程中保证***的稳定性，筒体11的内径与定磁铁10的外径相等。结合图5，偏转控制器7为一个具有圆环形顶面及镂空底面且中间内侧面为倒锥形圆环面的圆筒形构件，偏转控制器7的外径与筒体11内径配套并置于筒体11内，从图5、图6可见，偏转控制器7的圆环形顶面上均匀布置有与筒体11顶面螺栓孔相对应的四个螺栓孔，这样偏转控制器7可以通过螺钉8固定在筒体11上；定磁铁10顶面与偏转控制器7底面之间设有垫片9，偏转控制器7通过垫片9压紧定磁铁10，从而使偏转控制器7、垫片9、定磁铁10和筒体11连接成为一个整体。从图1至图3可见，偏转控制器7的倒锥形圆环面上设有减振垫片6，倒锥形圆环面的倾斜角度与风塔支撑杆1的最大倾斜角度相同，以实现风塔支撑杆1的自由偏转；当风塔受到强风作用时，风塔支撑杆1会与偏转控制器7的限位面即倒锥形圆环面接触，从而使风塔支撑杆1的偏转控制在一个安全范围内，同时减震垫片6能够有效减轻风塔支撑杆1对偏转控制器7的冲击，又能避免风塔支撑杆1与偏转控制器7的直接接触，从而对风塔支撑杆1和偏转控制器7起到保护作用。

本发明的用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置的工作过程如下：

参见图1至图3，当满足一定条件的风绕过连接在该装置上方的风塔时，风塔两侧会周期性的地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。在卡门涡街出现后，风会对风塔产生一个周期性的交变横向力，即涡激升力，当涡激升力的频率与风塔的固有频率接近时，将会导致风塔产生共振，此时风塔和风塔支撑杆1会绕球形铰接5发生垂直于风向的偏转；动磁铁2在随风塔支撑杆1发生偏转时，动磁铁2与定磁铁10沿偏转方向的距离将会减小，由于两个永磁体之间的磁力与磁极间的平均距离成反比并且动磁铁2与定磁铁10相对面的磁极相同，因此定磁铁10与动磁铁2之间会产生一个与偏转方向相反的磁力，迫使风塔支撑杆1返回到平衡位置，即位置O处，并类此循环下去。

当风塔在共振过程中时，风塔支撑杆1随风塔从位置O偏转到位置R，即风塔支撑杆1绕球形铰接5向右偏转α角度，如图1所示，两磁铁之间的相斥磁力达到最大，并迫使风塔支撑杆1从位置R返回到位置O，如图2所示；当风塔支撑杆1从位置O偏转到位置L时，即风塔支撑杆1绕球形铰接5向左偏转α角度，如图3所示，之后在相斥磁力作用下又从位置L返回到位置O。由于动磁铁2和定磁铁10之间相对面的磁极相同，一方面两磁铁之间产生的相斥磁力，可以使风塔支撑杆1在随风塔共振时的振动中心始终位于风塔支撑杆1未发生偏转时的中心轴线位置O处；另一方面当风塔在风力作用下产生共振时，可以使风塔在安全振幅范围内共振，而不会使风塔在持续风力作用下导致振幅的叠加，从而避免风力机装置因动应力达到极限造成结构破坏。

Claims (5)

1.一种用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，其特征在于：它包括风塔支撑杆，风塔支撑杆上端与无叶片风力机的风塔相连，下端通过球形铰接与发电机相连，风塔支撑杆可绕球形铰接发生偏转而不会绕风塔支撑杆本身的纵向轴线自转；风塔支撑杆中部固定有动磁铁；在风塔支撑杆的***设有筒体，风塔支撑杆未发生偏转时其中心轴线与筒体中心轴线重合；在筒体内侧与动磁铁相对的位置固定有定磁铁，且动磁铁与定磁铁相对面的磁极相同；在筒体内侧位于定磁铁之上固定有偏转控制器，偏转控制器的内侧面为具有一定倾斜角度的倒锥形圆环面。

2.根据权利要求1所述用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，其特征在于：所述动磁铁通过安装于其上、下两端的动磁铁固定器固定在风塔支撑杆上；所述动磁铁固定器为一个带有圆环形底边的圆筒形构件，其圆环形底边与动磁铁的端部相抵，其筒身上设有两个相对的销孔，通过穿过两个相对的销孔及风塔支撑杆上销孔的圆柱销将动磁铁固定于风塔支撑杆上。

3.根据权利要求1所述用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，其特征在于：所述筒体为一个圆筒形的构件，筒体内侧面底部设有一圆环形凸台；所述偏转控制器为一个具有圆环形顶面及镂空底面且中间内侧面为倒锥形圆环面的圆筒形构件，偏转控制器的外径与筒体内径配套并置于筒体内，偏转控制器圆环形顶面上布置有与筒体顶面螺栓孔相对应的螺栓孔；所述定磁铁放置于筒体内侧面的圆环形凸台上，定磁铁顶面与偏转控制器底面之间设有垫片，偏转控制器通过其圆环形顶面螺钉固定在筒体上，从而使偏转控制器、垫片、定磁铁和筒体连接成为一个整体。

4.根据权利要求3所述用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，其特征在于：所述偏转控制器的倒锥形圆环面上设有减振垫片，倒锥形圆环面的倾斜角度与风塔支撑杆的最大倾斜角度相同。

5.根据权利要求1所述用于无叶片风力机的圆筒形磁力复位装置，其特征在于：所述动磁铁和定磁铁均为圆筒形构件，均采用径向充磁的钕铁硼磁铁，动磁铁外侧面和定磁铁内侧部的磁极相同，动磁铁和定磁铁之间具有一定的间距，间距内的介质为空气。